Un MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) es un dispositivo semiconductor que puede ser utilizado como un interruptor de estado sólido. Son útiles para controlar cargas que consumen más corriente, o requieren un mayor voltaje, que el que puede suministrar un pin GPIO. En su estado apagado, los MOSFETs no son conductores, mientras que en su estado encendido, tienen una resistencia extremadamente baja – a menudo medida en miliohmios. Los MOSFET sólo pueden utilizarse para conmutar cargas de corriente continua.
Los MOSFETs tienen tres pines, Fuente, Drenaje y Puerta. La fuente está conectada a tierra (o al voltaje positivo, en un MOSFET de canal p), el drenaje está conectado a la carga, y la puerta está conectada a un pin GPIO en el Espruino. El voltaje en la puerta determina si la corriente puede fluir desde el drenaje a la carga – no fluye corriente hacia o desde la puerta (a diferencia de un transistor de unión bipolar) – esto significa que si se permite que la puerta flote, el FET puede encenderse, o apagarse, en respuesta a los campos eléctricos ambientales, o a corrientes muy pequeñas. Como demostración, se puede cablear un MOSFET de forma normal, salvo que no se conecte nada a la clavija de la puerta, y luego tocar la puerta mientras se mantiene la tierra o un voltaje positivo – ¡incluso a través de la resistencia de su cuerpo, puede encender y apagar el FET! Para asegurar que un MOSFET permanezca apagado incluso si el pin no está conectado (por ejemplo, después de reiniciar Espruino), se puede colocar una resistencia pull-down entre la puerta y la fuente.
Los MOSFETs sólo conmutan la corriente que fluye en una dirección; tienen un diodo entre la fuente y el drenaje en la otra dirección (en otras palabras, si el drenaje (en un dispositivo de canal N) cae por debajo de la tensión en la fuente, la corriente fluirá de la fuente al drenaje). Este diodo, el «diodo de cuerpo», es una consecuencia del proceso de fabricación. No hay que confundirlo con el diodo que a veces se coloca entre el drenaje y la fuente de alimentación para la carga – esto es separado, y debe ser incluido cuando se conduce una carga inductiva.
Salvo que se indique lo contrario, esta sección asume el uso de un MOSFET de modo de mejora de canal N.
Canal N frente a canal P
En un MOSFET de canal N, la fuente está conectada a tierra, el drenaje a la carga, y el FET se encenderá cuando se aplique una tensión positiva a la puerta. Los MOSFET de canal N son más fáciles de trabajar y son los más utilizados. También son más fáciles de fabricar, y por lo tanto están disponibles a precios más bajos con un mayor rendimiento que los MOSFETs de canal p.
En un MOSFET de canal P, la fuente está conectada a una tensión positiva, y el FET se encenderá cuando la tensión en la puerta esté por debajo de la tensión de la fuente en una cierta cantidad (Vgs < 0). Esto significa que si desea utilizar un mosfet de canal P para conmutar tensiones superiores a 5V, necesitará otro transistor (de algún tipo) para encenderlo y apagarlo.
Selección de MOSFETs
Gate-to-Source voltage (Vgs) Una de las especificaciones más importantes es la tensión necesaria para encender el FET completamente. Este no es el voltaje de umbral – es el voltaje al que comienza a encenderse. Dado que el Espruino sólo puede emitir 3,3v, para la conexión más sencilla, necesitamos una pieza que ofrezca un buen rendimiento con un accionamiento de puerta de 3,3v. Desafortunadamente, no hay muchos MOSFETs disponibles en paquetes de agujeros pasantes que funcionen con un accionamiento de puerta de 3,3v. El IRF3708PBF es una buena opción en el gran encapsulado TO-220 – su capacidad de manejo de corriente es suficiente para casi cualquier propósito, incluso a 3,3v en la puerta. Para una corriente más baja, el 5LN01SP-AC de On Semiconductor es una opción; viene en un paquete TO-92, y puede manejar hasta 100mA.
En la hoja de datos de un MOSFET, normalmente se incluye un gráfico que muestra las propiedades del estado de encendido a varias tensiones de puerta. La especificación clave aquí se dará normalmente como un gráfico de la corriente de drenaje (Id) frente a la tensión de drenaje-fuente (Vds – esta es la caída de tensión a través del MOSFET), con varias líneas para diferentes tensiones de puerta. Para el ejemplo del IRF3708PBF, este gráfico es la Figura 1. Observe cómo a una Id de 10 amperios, la caída de tensión (Vds) apenas supera los 0,1v con un accionamiento de puerta de 3,3v, y apenas se pueden distinguir las líneas para tensiones de 3,3v y superiores.
Hay una gran variedad de MOSFETs de bajo voltaje disponibles en paquetes de montaje superficial con excelentes especificaciones, a menudo a precios muy bajos. El popular paquete SOT-23 se puede soldar en el área de prototipos SMD del Espruino, como se muestra en las imágenes de abajo, o se utiliza con una de las muchas placas de despiece de bajo coste disponibles en eBay y en muchos vendedores de pasatiempos electrónicos.
Continuous CurrentAsegúrese de que la clasificación de corriente continua de la parte es suficiente para la carga – muchas partes tienen tanto una clasificación de corriente de pico como de corriente continua, y, naturalmente, la primera es a menudo la especificación principal.
Drain-Source Voltage (Vds) Esta es la tensión máxima que el MOSFET puede conmutar.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Es la tensión máxima que puede aplicarse en la puerta. Esto es especialmente relevante en el caso de un MOSFET de canal p que conmuta una tensión bastante alta, cuando se baja la tensión con otro transistor o FET para encenderlo.
Distribución de pines
Estos muestran la distribución de pines de los MOSFETs típicos TO-220 y SOT-23. Sin embargo, consulte SIEMPRE la hoja de datos antes de conectar cualquier cosa, en caso de que se encuentre utilizando una pieza extraña.
Conexión
Canal-N:
Un Espruino siendo usado para conmutar una carga de 100W usando un IRF3708. Nótese la resistencia de 10k entre la puerta y la fuente. La carga es una matriz de LEDs de 100W 660nm, tirando de ~3,8A (según las especificaciones) a 22v (más bien 85W) – está fuera de la imagen (es bastante brillante).
Esto muestra dos MOSFETs de canal N en el área de prototipado de montaje superficial en un Espruino, uno en SOT-23 (derecha) y el otro en SOIC-8 (izquierda). Tenga en cuenta que las trazas entre las almohadillas SMD y los pines en el Espruino son bastante delgadas, por lo que esto no debe ser utilizado para las corrientes mucho más de un amplificador.
Canal P:
Esto muestra un MOSFET de canal N que se utiliza para encender un MOSFET de canal P – esta configuración es útil cuando se necesita conmutar el lado alto de un circuito alimentado por algo más de 5 voltios – este ejemplo asume que el VBat del Espruino es la fuente de alimentación.
Esquemas
Estos esquemas muestran algunas configuraciones comunes para los MOSFETs tal y como se utilizarían con el Espruino. Los valores exactos de las resistencias no son esenciales; una resistencia de mayor valor funcionará bien (y puede ser deseable cuando el uso de la energía es una preocupación particular). Como puede verse a continuación, el uso de un MOSFET de canal P para conmutar voltajes superiores a 5v implica un circuito más complicado. Este no es el caso cuando se utiliza un MOSFET de canal N para conmutar altos voltajes; ya que la fuente está conectada a tierra, la puerta no necesita subir al voltaje que se conmuta, como lo hace en un MOSFET de canal P, donde la fuente es el voltaje positivo.
MOSFETs vs Relés
- Los MOSFETs no consumen esencialmente energía, mientras que los relés utilizan una cantidad significativa de energía cuando se encienden.
- Los MOSFETs pueden ser manejados con PWM. Los relés no pueden.
- Los MOSFETs requieren una toma de tierra compartida (o alimentación para el canal p), mientras que los relés aíslan completamente el circuito que se acciona.
- Los MOSFETs sólo pueden conmutar cargas de CC, mientras que los relés, al estar aislados, pueden conmutar también CA.
MOSFETs vs Transistores de Unión Bipolar
- LosMOSFETs son controlados por voltaje, no por corriente. Hay una corriente de puerta despreciable, mientras que un BJT tiene una corriente de base no despreciable.
- Los Mosfets suelen tener una menor caída de tensión en su estado de encendido.
- Los Mosfets se encienden solos si se deja flotar la puerta, los BJT requieren que fluya la corriente, por lo que no lo harán.
- Los Mosfets suelen ser más caros, e históricamente eran más vulnerables a los daños estáticos.
Modo de mejora vs modo de agotamiento
La mayoría de los MOSFETs utilizados son los llamados dispositivos de modo de mejora, y la escritura anterior ha asumido el uso de un MOSFET de modo de mejora. De nuevo, en un MOSFET de modo de mejora, cuando la puerta está a la misma tensión que la fuente (Vgs=0), el MOSFET no conduce.
En un MOSFET de modo de agotamiento, cuando Vgs = 0, el MOSFET está encendido, y se debe aplicar un voltaje a la puerta para detener la conducción. La tensión suministrada es la opuesta a la que encendería un MOSFET de modo de mejora – por lo que para un MOSFET de modo de mejora de canal N, se debe aplicar una tensión negativa para apagarlo.
Comprando
- Digikey
- Mouser
- eBay (sólo piezas comunes)